La rivista è online 16 (3) 2013 Mag/giu 3 Mag/Giu 2013 ISSN 1127-6312 Bimestrale. Spedizione in abbonamento postale. 70%. Filiale di Milano. EURO 13.35 Oryza sativa Metodi alternativi Cere Rossetto ad alto contenuto in acqua COSMETIC TECHNOLOGY Meristemi del riso Contribuiscono al ringiovanimento
Articoli Germano Coppi 1, Laura Ceriotti 2, Giovanni Talamini 3, Marisa Meloni 4, Maurizia Dossena 5 1 Consulente AFI, S. Martino Siccomario (PV); 2 Consulente, Dairago (MI); 3 Consulente, Pavia; 4 CEO Vitroscreen, Milano; 5 Dipartimento di Biologia e Biotecnologia, Università di Pavia - germano.coppi@gmail.com Dalla Tossicologia classica ai Metodi alternativi Parole chiave - 3R - Metodi alternativi - Validazione - Cosmetici - Sostanze chimiche - Farmaci From classical toxicology to alternative methods Summary Animal studies have been always conducted in toxicology. The incoming of 3R principles, REACH for chemical substances, medical devices, and the 7 th amendment for cosmetics, have boosted the development of in vitro alternative methods. Alternative methods just validated or on the way to be validated to replace or reduce animals in toxicology studies were reviewed. In particular the alternative methods for the evaluation of eye irritation, skin corrosion, skin irritation, skin sensitization, phototoxicity, acute toxicity, genotoxicity, carcinogenicity, toxicokinetics/metabolism, and reproductive toxicology are discussed. Riassunto Negli studi tossicologici sui farmaci sono stati da sempre utilizzati differenti specie di animali nell esecuzione dei vari test indicati dalle agenzie regolatorie. L avvento del principio delle 3R, del REACH per le sostanze chimiche, dei dispositivi medici e del 7 emendamento per i cosmetici, ha portato allo sviluppo di metodi alternativi in vitro. In questo lavoro sono stati presi in esame i metodi alternativi già validati o in corso di validazione per cercare di eliminare, o almeno di ridurre al minimo, l uso degli animali negli studi tossicologici per le sostanze sopracitate. In particolare vengono discussi i test alternativi per le valutazioni di irritazione oculare, sensibilizzazione, irritazione e corrosione cutanea, tossicità acuta, fototossicità, genotossicità, cancerogenesi, ADME, e tossicità riproduttiva. Introduzione alla tossicologia classica La tossicologia classica ebbe la sua origine alla fine del 1800 e si sviluppò fino al primi 50 anni del 1900. Venne introdotto il test chiamato DL 50 e cioè la dose di un composto letale per il 50% degli animali trattati. Furono introdotti gli studi di tossicità subacuta e cronica per valutare gli effetti dei composti dopo ripetute somministrazioni, gli studi per valutare l irritazione oculare e cutanea e gli studi per la valutazione della cancerogenesi di un composto negli animali. In seguito ai gravi problemi prodotti dall uso della talidomide, vennero richiesti dalle autorità regolatorie anche studi sulla funzione riproduttiva e precisamente studi sulla fertilità maschile e femminile, studi di teratogenesi su almeno due specie di animali e studi di tossicità peri- e post-natale sempre nell animale. Inoltre si rese necessario stabilire dei criteri di qualità degli studi che furono la base delle Good Laboratory Practices (GLP). Ultimamente le autorità regolatorie hanno richiesto studi anche sul potenziale genotossico di un composto con una serie di test in vitro (test di Ames, test di aberrazione cromosomica ) ed in vivo (test del micronucleo). A questi studi di tossicologia sono stati aggiunti anche studi di safety pharmacology nell animale per evidenziare eventuali altre attività farmacologiche oltre all azione terapeutica primaria del composto in esame. Oggi per poter registrare un nuovo farmaco occorre eseguire una lunga e costosa serie di studi tossicologici con l utilizzo di un gran numero di animali. Numerose sono le linee guida di US Food and Drug Administration (FDA), European Medicines Agency (EMA), International Conference on Harmonisation (ICH) e Organisation for Economic Cooperation and Development (OECD) relative a questi studi; è importante sottolineare che per questi studi regolatori è richiesta l esecuzione secondo le GLP. www.ceceditore.com 17 2013-16(3)
Fattori che hanno modificato la tossicologia classica A nostro modo di vedere ci sono stati tre fattori che hanno messo in discussione gli studi classici della tossicologia. 1 Principio delle 3R Un primo fattore che ha messo in discussione l uso di numerosi animali nella tossicologia classica è stato il principio delle 3R introdotto da W Russel e R Burch (1), recepito dalla Direttiva Europea (86/609/CEE) e riconfermato nella Direttiva Europea (2010/63/UE). Il principio delle 3R dichiara che per la protezione degli animali occorrono: Refinement: procedimenti meno dolorosi; Reduction: utilizzo di un minor numero di animali; Replacement: sostituzione completa degli animali. In particolare la Direttiva Europea (86/609/CEE) riporta due importanti articoli: Art. 7.2 Un esperimento sull animale non dovrebbe essere condotto se è ragionevolmente e praticamente disponibile un altro metodo scientificamente valido per raggiungere lo stesso scopo; Art. 23 La Commissione e gli Stati Membri dovrebbero incoraggiare la ricerca nell ambito di sviluppo e validazione di tecniche alternative in grado di provvedere lo stesso livello di informazione ottenuto con la sperimentazione animale, ma che riducano il numero di animali utilizzati o richiedano procedure meno dolorose. Anche la legislazione italiana si è allineata a questi principi con opportuni interventi legislativi (D. Lgs. N. 116, 1992; Circolare 14/5/2001). Sparrow e coll (2) hanno riportato numerosi esempi di riduzione del numero degli animali; un esempio viene riportato nella Tabella 1 per lo studio di cancerogenesi nel ratto, dove si passa da 690 a 424 animali utilizzati. 2 Direttive sui cosmetici Un secondo fattore che ha decisamente messo in discussione l uso degli animali nelle varie sperimentazioni è stata la Direttiva 2003/15/CEE (VII emendamento della Direttiva sui Cosmetici 76/768/ CEE) che ha messo al bando i test con animali sui cosmetici finiti. In particolare, a partire dal Settembre 2004 è stato vietato testare i prodotti cosmetici finiti sugli animali e, dal Marzo 2009 testare ingredienti cosmetici o una combinazio- Tabella 1 Esempio di riduzione del numero di animali nella cancerogenesi Studio classico di cancerogenesi nel ratto con piccolo gruppo per la farmacocinetica (TK) Dose Bassa Media Elevata Controllo Confronto* N Animali 60 M + 60 F 60 M + 60 F 60 M + 60 F 60 M + 60 F 60 M + 60 F N Animali per TK satellite** N Massimo animali per studio Tabella 2 Scadenze per il REACH Date ne di questi, sugli animali. Sempre dal Marzo 2009 è stata proibita la vendita in Europa di prodotti ed ingredienti cosmetici testati su animali per i quattro endpoint seguenti: tossicità genetica, tossicità acuta, irritazione cutanea e oculare. Il divieto per altri endpoint come tossicità riproduttiva, tossicità a dosi ripetute e tossico-cinetica, è entrato in vigore nel Marzo 2013. Altri endpoint, come la cancerogenesi e la reprotox, rimarranno scoperti visto che i metodi in vitro non sono al momento disponibili. Con queste stringenti tempistiche risulta evidente la necessità e l urgenza per l industria cosmetica e l Unione Europea di sviluppare test validati che sostituiscano i test in vivo per tutti questi endpoint. 9 M + 9 F 9 M + 9 F 9 M + 9 F 9 M + 9 F 9 M + 9 F Studio di cancerogenesi nel ratto con minimo numero di animali Dose Bassa Media Elevata Controllo Confronto* N Animali 50 M + 50 F 50 M + 50 F 50 M + 50 F 50 M + 50 F N Animali per TK satellite** N Massimo animali per studio Scadenze 30/12/2006 Pubblicazione nel giornale ufficiale della UE 01/06/2007 Entrata in vigore 3 M + 3 F 3 M + 3 F 3 M + 3 F 3 M + 3 F *Non tutti gli studi sono condotti con un composto di confronto; **Non tutti gli studi prevedono un gruppo satellite per lo studio farmacocinetico 01/06/2008 Partenza delle preregistrazioni delle sostanze 01/12/2008 Termine della fase di preregistrazione 01/12/2010 Termine delle registrazioni delle sostanze secondo l Annex X: >1000 t/anno >100 t/anno (sostanze che possono causare effetti avversi e che sono classificate come R50/53 secondo la Direttiva 67/548/CE) >1 t/anno (sostanze classificate CMR* di categ. 1 o 2 secondo la direttiva 67/548/CE 01/06/2013 Scadenza per la registrazione di sostanze secondo l Annex IX >100 t/anno 01/06/2018 Scadenza per la registrazione di sostanze secondo l Annex VII e VIII >1 t/anno *CMR = sostanze cancerogene, mutagene e tossiche per la riproduzione 690 424 3 Avvento del REACH Un terzo fattore che ha pure messo in discussione la tossicologia classica è stata la legislazione europea su Registration, Evaluation, Authorisation and restriction of CHemical (REACH) del 2006, che rappresenta il maggior investimento sulla sicurezza delle sostanze chimiche industriali e conseguentemente dei prodotti di consumo. Durante la decisione politica del processo, sono stati fatti parecchi tentativi, tra il 2001 e il 2005 per valutare i costi del REACH, sia finanziariamente che riguardo al numero degli animali richiesti per gli studi tossicologici. In Tabella 2 vengono riportate le scadenze per le sostanze preregistrate presso ECHA (3). 2013-16(3) 18 www.ceceditore.com
In Tabella 3 viene riportato il numero delle sostanze preregistrate presso ECHA (3). Nelle Tabelle 4,5 vengono riportati gli studi eseguiti con la tossicologia classica evidenziando il numero di animali necessari ed i relativi costi per l esecuzione dei vari test richiesti utilizzando lo scenario 3, come riportato da Rovida e Hartung (3). Come si vede dall esame della Tabella 4 il numero di animali da utilizzare per i vari test è molto variabile; particolarmente elevato è il numero necessario per le prove sulla tossicità riproduttiva (89.62%), anche se limitate ad una sola generazione, per le prove di tossicità ripetuta e per la mutagenesi. Il numero di animali per le prove di tossicità su pesci ed uccelli è relativamente basso. Va sottolineato comunque che il numero totale di animali stimato è di 54.4 milioni, cioè un numero veramente imponente per tutte le prove da eseguire per il REACH nell unione Europea. Il costo stimato in totale è di 9.5 miliardi di Euro (3). Anche l esame della Tabella 5 rivela che il costo maggiore è relativo ai test di tossicità sulla funzione riproduttiva (72.49%); sono pure molto elevati i costi relativi alle prove di tossicità ripetuta. Avvento dei metodi alternativi Negli ultimi anni quindi l impiego di test basati sull uso di animali è stato contrastato, come abbiamo visto in precedenza, dai tre fattori citati in precedenza. Sono emerse nuove tecnologie come bioinformatica, genomica, proteomica, metabolomica, sistemi biologici in vitro e modelli analitici (sistemi in silico), che potenzialmente offrono valide alternative ai test basati sull impiego di animali. Si sono evidenziati molti dubbi sulla predittività dei test condotti su specie differenti da quella umana (differenze interspecie), sulla capacità di estrapolare, dai test condotti sugli animali esposti ad alte dosi di sostanza, dati d interesse per l uomo e l ambiente soggetti solitamente a bassi livelli di esposizione e sulla relativa variabilità e bassa riproducibilità di alcuni test basati sugli animali, ai quali si sommano i loro costi elevati ed i lunghi tempi sperimentali (e le grandi quantità di sostanza non sempre disponibile nei primi stadi della sperimentazione). Tabella 3 Elenco delle sostanze preregistrate riferite alle date di registrazione Data di registrazione Sostanze non phase in* Sostanze phase in** Sostanze non classificate Totale 30/11/2010 1.730 47.858 5.098 54.686 31/05/2013 2.097 53.048 4.454 59.599 31/05/2018 ---- ---- 29.550 29.550 Totale 3.827 100.906 39.102 143.835 *Sostanze notificate come dannose secondo la Direttiva 67/548/CEE **Sostanze presenti nel mercato UE prima del 18 Settembre 1981 e quelle designate come polimeri (NLP) Tabella 4 Numero di animali per test in vivo richiesti per la preparazione dei dossier, valutando il numero dei composti secondo lo scenario 3 (Composti: 68.209) Test OECD TG Animali per test (somma delle medie) Numero totale animali (somma dei vari test) Irritazione oculare 405 1.3 12.414 0.02 Sensibilizzazione 429, 429R, 406 47 823.891 1.52 cutanea Tossicità acuta 420, 423, 425, 403, 402 77 689.003 1.27 Tossicità ripetuta 407, 410, 412, 408, 411, 360 1.187.122 2.19 413 Mutagenesi Cfr test 70 1.870.768 3.45 Cancerogenesi 451 400 49.912 0.09 Tossicità riproduttiva Bioaccumulazione Tossicità subacuta Tossicità cronica Tossicità acuta (uccelli) 421, 422, 414, 414(II specie), 9.016 48.648.236 89.62 416, 416(II specie), 426 305 16 21.062 0.04 203 42 223.046 0.41 210, (212, 215) 400 711.662 1.31 205, 223 70 44.000 0..08 Tabella 5 Costi richiesti per la preparazioni dei dossier valutando il numero dei composti secondo lo scenario 3 (Composti: 68.209) Test OECD TG Costo medio per test (migliaia di Euro) Costo totale (migliaia di Euro) Irritazione oculare 405 1.1 10.504 0.11 Sensibilizzazione 429, 429R, 406 9.29 162.850 1.71 cutanea Tossicità acuta 420, 423, 425, 403, 402 15.2 88.502 0.93 Tossicità ripetuta 407, 410, 412, 408, 411, 413 705.2 1.832.718 19.22 Mutagenesi Vedi test 10.8 288.633 3.03 Cancerogenesi 451 780.4 97.378 1.02 Tossicità riproduttiva Bioaccumulazione Tossicità subacuta Tossicità cronica Tossicità acuta (uccelli) 421, 422, 414, 414(sec specie), 2128.2 6.912.147 72.49 416, 416(sec specie), 426 305 10 13.164 0.14 203 4.2 22.305 0.23 210, (212, 215) 26.3 46.792 0.49 205, 223 96.2 60.469 0.63 % % www.ceceditore.com 19 2013-16(3)
Esempi per la potenziale sostituzione dei test basati sull uso di animali includono: colture in vitro di cellule, tessuti e organi (ad esempio cornee di mucca macellata od occhi di pollo usati per studi sull irritazione oculare); linee cellulari (ad esempio, cellule di topo 3T3 impiegate per valutare effetti fototossici); cellule staminali coltivate per test di embriotossicologia; modelli di tessuti ricostituiti (come EpiDerm e Episkin, sviluppati per valutare la corrosione cutanea); sistemi in silico (includono modelli predittivi che relazionano le proprietà biologiche/tossicologiche di una sostanza alla sua struttura chimica) (4). Altri approcci per ridurre l uso di test in vivo includono: valutazione dati/informazioni di tipo epidemiologico; weight of evidence approach (WoE) e Intelligent Testing Strategy (ITS); read-across approach (per cui le informazioni su una sostanza strutturalmente simile possono essere usate per riempire vuoti di conoscenza di un altra sostanza); data sharing (via lettera di accesso (LoA); mutuo riconoscimento dei risultati tossicologici condotti in Stati diversi evitando la ripetizione di test uguali; rinuncia agli studi tossicologici quando i livelli di esposizione umana sono sotto i livelli di pericolo (Threshold of Toxicological Concern, TTC) (CPMP/ SWP/5199/02 EMEA/CHMP/ QWP/251344/2006). In questo caso tuttavia, per determinare il TTC, devono essere prodotti altri dati tossicologici e di struttura chimica di sostanze strutturalmente correlate a quelle oggetto di studio. Validazione dei test alternativi ed organizzazioni coinvolte Grazie alle informazioni generate da specifiche batterie di questi test alternativi, le autorità regolatorie determinano la capacità intrinseca della sostanza di interferire con la salute umana (hazard identification), e ne permettono la classificazione e l etichettatura. Inoltre questi dati consentono di valutare i potenziali rischi che la sostanza potrebbe arrecare all uomo e all ambiente sotto reali condizioni d e- Una volta validati e corredati di opportuni documenti che ne attestino la validità scientifica e accettati dalle autorità governative, i metodi possono essere impiegati nei laboratori accreditati per questo tipo di test. Gli studi sono condotti in accordo con i requisiti di Buona Pratica di Laboratorio (GLP) secondo la Direttiva 2004/10/CE, così da promuovere la qualità e la validità dei dati che devono poi essere sottomessi alle autorità regolatorie nazionali o internazionali. In Italia una sezione dell Istituto Superiore di Sanità svolge attività consultive, a livello nazionale ed internazionale, su problematiche correlate all identificazione e validazione di metodi in vitro, da utilizzare in ambito regolatorio per l identificazione di effetti tossici delle sostanze chimiche. In particolare, segue lo sviluppo e la validazione di metodi alternativi, controlla che l esecuzione delle prove tossicologiche in vitro siano eseguite secondo le Buone Pratiche di Laboratorio (GLP) ed esegue un monitoraggio in ambito nazionale sul rispetto delle autorizzazioni in deroga alla sperimentazione animale. In aggiunta, il Centro di Referenza Nazionale per i metodi alternativi, benessere e cura degli animali da laboratorio (IZSLER di Brescia) è stato riconosciuto negli ultimi anni come centro di riferimento nazionale per la raccolta e la valutazione dei metodi impiegati per ridurre/sostituire l uso di animali da laboratorio e raggruppare gli esperti del settore come previsto dalla Direttiva 2010/63/UE. L impiego di metodi altersposizione (risk characterization). Vista l importanza dei risultati di questi test, le agenzie regolatorie dei diversi Paesi accettano metodi alternativi solo dopo che questi siano stati scientificamente validati, cioè se ne è dimostrata l affidabilità (riproducibilità del metodo nel tempo ed in laboratori diversi) e la rilevanza (significatività ed utilità di una procedura per il fine prefissato) (5). La Commissione Europea ha previsto finanziamenti per progetti diretti a mettere a punto alternative ai test su animali nella ricerca medica nell ambito del VII Programma Quadro (2007-2013). E recente la notizia che l industria cosmetica, tramite la sua associazione europea, Cosmetics Europe, ha devoluto una discreta somma per lo studio dei metodi alternativi, che si è aggiunta alla stessa somma stanziata dalla Commissione. Criteri e processi per la validazione dei metodi sono stati sviluppati e applicati in Europa (sotto la sorveglianza del Laboratorio di Referenza dell Unione Europea sui Metodi Alternativi ai test animali, EURL ECVAM, in particolare la sua Commissione Scientifica chiamata ESAC), negli Stati Uniti (attraverso la Interagency Coordinating Committee on the Validation of Alternative Methods (ICCVAM)), in Giappone (attraverso il Japanese Center for the Validation of Alternative Methods ( JaCVAM)). Nel 2009 EURL ECVAM, ICCVAM, JACVAM e il corrispondente organismo del Canada (the Environmetal Health Science and Research Bureau) hanno firmato un accordo per favorire a livello internazionale la diffusione di metodi alternativi riproducibili e scientificamente validati, fugando ogni timore di rischi per la salute. La valutazione di nuovi metodi richiede 5 passaggi (6). Ricerca e sviluppo di un metodo che potrebbe dar vita ad un test ottimizzato. Questa fase può essere sostenuta da università, centri di ricerca nazionali e industria. Prevalidazione: uno studio di parecchi anni atto a valutare riproducibilità, affidabilità e predittività del test e a definire un modello interpretativo da usare per predire i risultati degli endpoint in vivo. Si conduce in EURL ECVAM, nell industria e negli istituti internazionali con esperienza di prevalidazione e validazione. Validazione: un studio di molti anni atto a valutare la trasferibilità del test in un secondo laboratorio, la variabilità e quindi la riproducibilità tra laboratori. Valutazione indipendente (peer review) dello studio di validazione condotto da esperti estranei al lavoro. Accettazione regolatoria, processo che a livello europeo (EC adoption) prevede l inclusione dei metodi validati nel Regolamento 440/2008/CE, che sottostà al regolamento REACH (cfr sezione 1.4.2). Successivamente il metodo è largamente accettato nell Unione Europea, visti anche gli obblighi imposti dalla Direttiva 86/609/ECC. L accettazione regolatoria, che include Paesi extra UE, si svolge principalmente a livello dell OECD e dell ICH (international adoption). Il processo di accettazione regolatoria potrebbe richiedere anche 5 anni di tempo. 2013-16(3) 20 www.ceceditore.com
nativi non è lo stesso nei diversi settori industriali; studi in vitro sono d obbligo in un settore e non previsti in un altro. Qui di seguito sono riportate queste differenze in settori d interesse quali il settore dei farmaci e dispositivi medici, i prodotti chimici ed i cosmetici. Farmaci e dispositivi medici L Agenzia Europea dei Medicinali (EMA) è l agenzia europea che valuta e monitora i prodotti farmaceutici, sviluppa linee guida e fornisce supporto scientifico alle aziende farmaceutiche. I requisiti europei per verificare la sicurezza dei farmaci è stata armonizzata con quella dei maggiori mercati farmaceutici (US e Giappone) nelle linee guida ICH. Queste prevedono che prima di portare un farmaco sul mercato e prima che questo sia testato sull uomo, la sua sicurezza venga testata negli animali (pre-clinical animal studies) come riportato nella Direttiva 2001/83/CE recepita in Italia col D. Lgs. n. 219 del 2006 (allegato I). Questi test coinvolgono molte migliaia di animali e sono richiesti sia per valutare la pericolosità di ciascun singolo ingrediente attivo che per ciascun prodotto farmaceutico finito. Considerando i costi di questi test e la loro relativa accuratezza nel predire i risultati degli studi clinici (solo una bassa percentuale di prodotti arrivata in Fase 1 di sperimentazione clinica raggiungerà il mercato), l industria farmaceutica promuove lo sviluppo di metodi alternativi, quali metodi in vitro ed omici nei test preclinici ed approcci clinici alternativi quali il microdosing (7), pur non essendone obbligati dalle agenzie regolatorie. Prodotti chimici Nel Dicembre 2006 l Unione Europea ha rivisto completamente la normativa relativa ai prodotti chimici introducendo il Regolamento 1907/2006/CE che riguarda la registrazione, la valutazione, l autorizzazione e la restrizione d uso di sostanze chimiche (REACH). Questo Regolamento intende armonizzare il sistema regolatorio delle sostanze chimiche e stabilire le informazioni minime necessarie che produttori, importatori, e altri utilizzatori devono fornire per dimostrare che le sostanze prodotte, importate, e utilizzate non siano nocive per la salute umana e per l ambiente e che i rischi siano adeguatamente controllati. I test tossicologici richiesti variano in funzione del volume di sostanza prodotta od impor- Un aggiornamento sullo stato di validazione e accettazione regolatoria dei metodi alternativi è presentato nella Tabella 6. Come descritto nel Technical Report Alternatata annualmente a partire da un volume maggiore o uguale ad una tonnellata. Per testare le sostanze chimiche d interesse, circa 30.000, servirebbero parecchi anni, un gran numero di animali (stimato circa 54 milioni) e alcuni miliardi di Euro (stimati circa 9.5). Per questo il Regolamento REACH sfida l industria chimica a sviluppare metodi in vitro affidabili e rapidi per predire la tossicità negli uomini, ad usare quelli già validati o anche a livello di prevalidazione (purchè giustificati), ad usare modelli tossicocinetici per stimare, dalle concentrazioni misurate in vitro, l esposizione a livello dell organismo e di conseguenza selezionare la dose, la via di somministrazione e le specie animali da testare. Adattamenti del regime di sperimentazione per le sostanze fabbricate o importate in quantitativi diversi sono riportati nell allegato XI e suoi aggiornamenti (in particolare il Regolamento 440/2008/CE e successive modifiche) (Report from the Commission, 2010). Il Regolamento REACH inoltre sostiene lo scambio di dati tossicologici tra aziende con la formazione di consorzi in modo di avere, per una sostanza, una sola registrazione e richiede alle aziende di sottoporre una proposta di test alle autorità prima di intraprendere nuovi test su vertebrati per le liste di dati più impegnative. L Agenzia Europea per le sostanze chimiche (ECHA) è l agenzia europea che gestisce gli aspetti tecnico-scientifici-amministrativi del Regolamento REACH. Cosmetici La vendita dei cosmetici in Europa è regolata dalla Direttiva 76/768/CEE del 1976, che richiede che ogni ingrediente cosmetico messo sul mercato non debba causare danni alla salute dell uomo quando applicato in condizioni normali e previste per il suo uso. La responsabilità della sicurezza dei prodotti è affidata al produttore o alla persona che li immette sul mercato. Dal momento che la maggior parte degli ingredienti cosmetici è rappresentata da prodotti chimici, per alcuni i dati tossicologici sono già disponibili con l adempimento al regolamento REACH. In altri casi, sostanze usate come ingredienti cosmetici richiedono altri o nuovi tipi di test, indipendentemente dai requisiti di volume dipendenti dal Regolamento REACH. Ad esempio, per un basso volume di sostanza chimica, usata come ingrediente cosmetico applicato di frequente o ripetutamente sulla pelle umana, un test di tollerabilità locale non sarebbe sufficiente per valutarne la pericolosità e si dovrebbe considerare un test di tossicità sub-cronica, sebbene non richiesto dalla legislazione delle sostanze chimiche. La sperimentazione animale non è menzionata nella Direttiva del 1976, ma solo successivamente nel sesto emendamento del 1993 (Direttiva 93/35/CEE) e poi nel settimo emendamento (Direttiva 2003/15/CEE) entrato in vigore nel 2004, dove si prende una forte posizione contro l impiego di animali nella valutazione degli ingredienti e prodotti cosmetici. In particolare, a partire da Settembre 2004 si è di fatto vietato testare i prodotti cosmetici finiti sugli animali e dal Marzo 2009 si è proibito di testare ingredienti cosmetici, o una combinazione di questi, sugli animali (testing ban). Sempre dal Marzo 2009 è proibita la vendita in Europa di prodotti ed ingredienti cosmetici testati su animali per i quattro seguenti endpoint: tossicità genetica, tossicità acuta, irritazione cutanea e oculare (marketing ban). Il divieto su altri endpoint, come tossicità riproduttiva, tossicità a dosi ripetute e tossicocinetica, è entrato in vigore nel Marzo 2013. Con essi altri endpoint, come la cancerogenesi, rimarranno scoperti, visto che alcuni metodi in vitro utili per l identificazione dei rispettivi endpoint (nel caso specifico il pericolo di cancro) sono disponibili, ma non sufficienti a sostituire completamente i test condotti sugli animali. Con queste stringenti tempistiche è risultato urgente e indispensabile per l industria cosmetica sviluppare test validati che sostituiscano i test in vivo per tutti questi endpoint. E proprio l industria cosmetica che, più di altri settori, ha portato avanti a proprie spese gran parte dello sviluppo e della validazione dei metodi alternativi. Va sottolineato che La Direttiva 76/768/ CEE sarà sostituita nel Luglio 2013 dal Regolamento 1223/2009/CE, in cui probabilmente sarà previsto un ulteriore rinvio del bando alla sperimentazione animale per quelle aree di tossicologia non coperte da test alternativi validati. Futuri sviluppi dei metodi alternativi www.ceceditore.com 21 2013-16(3)
Tabella 6 Attuale situazione dei principali metodi alternativi (Per questa tabella abbiamo preferito utilizzare la terminologia inglese perché più aderente alle realtà regolatorie) Test method per human health effect Current status USA Japan OECD EU Eye irritation Bovine Corneal Opacity and Permeability (BCOP) test method ICCVAM peer review and report (2007). ESAC statement (2007) Acceptance in 2008 OECD TG 437 method B.47 Isolated Chicken Eye (ICE) test method ICCVAM peer review and report (2007). ESAC statement (2007) Acceptance in 2008 OECD TG 438 method B.48 Cytosensor Microphysiometer assay completed. ESAC statement 2009 Recommendation to Federal Agencies: in progress SPSF submitted to OECD (2010) Draft TG Fluorescein Leakage assay completed. ESAC statement 2009 SPSF submitted to OECD (2010) Draft TG Low Volume Eye test completed (2007). ESAC statement. ICCVAM international peer review Acceptance in USA in progress. SkinEthic assay Under validation EpiOcular assay Under validation Cytotoxicity test short time exposure (STE)test JaCVAM under validation Cytotoxicity test three-dimensional dermal model (MATREX) JaCVAM peer review ongoing Cytotoxicity test SIRC cells JaCVAM peer review ongoing Use of anesthetics, analgesics in Draize eye test Recommendations NICEATIM -ICCVAM peer review Acceptance in USA in progress SPSF submitted to OECD (2010) In vitro methods of moderate and mild irritant Recommendations for BCOP, ICE, IRE, HET-CAM NICEATIM -ICCVAM peer review Acceptance in USA in progress In vitro approach for antimicrobial Recommendations for other studies NICEATIM -ICCVAM peer review Acceptance in USA in progress Skin Corrosion Corrositex Skin Corrosivity test ICCVAM report (1999) ESAC statement (2000) Episkin Skin Corrosivity test ESAC statement (1998) ICCVAM report (2002) Epiderm Skin Corrosivity test ESAC statement (1998) ICCVAM report (2002) Acceptance in 2000 OECD TG 435 (2006) OECD TG 431 OECD TG 431 (2004 Method B.40 Method B.40 Bis SkinEthic Skin Corrosivity test ESAC statement (2006) OECD TG 431 Method B.40 Bis Rat Skin TER Corrosivity test ESAC statement (1998) ICCVAM report (2002) OECD TG 430 Method B.40 EST-1000 (CellSystem) ESAC statement OECD TG 431 Skin irritation Method B.40 Bis EpiSkin Skin Irritation test ESAC statement (2007) Accepted by Japanese board OECD TG 439 Method B.46 EpiDerm Skin Irritation test ESAC statement (2008) OECD TG 439 Method B.46 SkinEthic RHE ESAC statement (2008) OECD TG 439 Method B.46 in vitro dermal irritation assays to evaluate false negative corrosives EpiDerm, EpiSkin, SkinEthic, RHE NICEATM-ICCVAM Study in progress Skin sensitisation Local Lymph Node Assay for skin sensitisation ESAC statement (1999) Acceptance in (1999) OECD TG 429 (2002) Method B.42 Reduced Local Lymph Node Assay for skin sensitisation ESAC statement (2007) ICCVAM peer review and report (2008) Acceptance in (2010) Under discussion within the revision of TG 429 MUSST ECVAM under validation 2013-16(3) 22 www.ceceditore.com
Test method per human health effect Current status USA Japan OECD EU h-clat ECVAM under validation Direct Peptide Reactivity Assay ECVAM under validation Update Murine local lymph node assay (LLNA) (20% reduction) NICEATIM-ICCVAM international peer review (2008) Acceptance in (2010) OECD TG 429 (updated) approved Nonradioactive LLNA protocol (LLNA:BrdU-Flow Cytometry) NICEATIM-ICCVAM international peer review Nonradioactive LLNA protocol (LLNA:BrdU-ELISA) NICEATIM-ICCVAM international peer review Transmitted to USA Federal agencies: in progress Acceptance by Board OECD TG442B Nonradioactive LLNA protocol (LLNA:DA) NICEATIM-ICCVAM international peer review Transmitted to USA Federal agencies: in progress Acceptance by Board (2008) OECD TG442A Harmonized performance standards for LLNA Endorsed by ESAC and ICCVAM Acceptance in (2010) Draft OECD update to TG 429 Acute phototoxicity 3T3 NRU Phototoxicity test (photo-irritation) 3T3 NRU Phototoxicity test: UV filter chemical Acute toxicity ESAC statement OECD TG 432 ESAC statement OECD TG 432 EU Test Method B.41 EU Test Method B.41 Up and Down procedure (UDP) ESAC statement (2007) Accepted OECD TG 425 (2001) Fixed dose procedure (FDP) ESAC statement (2007) OECD TG 420 (2001) Acute toxic class method (ATC) ESAC statement (2007) OECD TG 423 (2001) In vitro cytotoxicity test 3T3 Neutral Red Uptake For initial dose setting In vitro cytotoxicity test NHK Neutral Red Uptake For initial dose setting ICCVAM peer review and report (2008) ICCVAM peer review and report (2008) Acute inhalation toxicity OECD TG 403 (revised version) Inhalation toxicity-acute toxic class method Genotoxicity Yes, agency endorsement Yes, agency endorsement OECD TG 129 (2010) OECD TG 129 (2010) OECD TG 403 OECD TG 436 OECD TG 436 Method B.1 Bis Method B.1 Tris In vitro micronucleous test ESAC statement (2006) OECD TG 487 Mentioned in Annex VIII Comet assay in vivo and in vitro (2 test methods) JaCVAM under validation Carcinogenicity Cell transformation assay ph 6.7 Cell transformation assay ph 7 Cell transformation assay Balb/c 3T3 cell BHAS cell transformation JaCVAM validation Toxicokinetics/Metabolism In vitro hepatic biotransformation Enzyme induction; (Hepa RG) and cryopreserved human hepatocytes (3 test methods) ECVAM, ICCVAM, JaCVAM validation Reproductive toxicology In vitro embryotoxicity test employing micromass culture, rat embryo culture and embryonic stem cells ESAC statement (2001) LUMI CELL estrogen receptor transcriptional activation assay: agonist and antagonist NICEATIM, JaCVAM,ECVAM validation MELN estrogen receptor transcriptional activation assay; agonist and antagonist ECVAMunder validation www.ceceditore.com 23 2013-16(3)
tive non animal Methods for Cosmetics Testing: Current Status and Future Prospectives, del 2010 (8) la completa sostituzione dei test in vivo è stata raggiunta per alcuni endpoint quali l irritazione e la corrosione cutanea, l assorbimento e la penetrazione cutanea e la fototossicità. Sono stati accettati anche metodi per identificare le sostanze che causano seria irritazione oculare e si sta procedendo verso una strategia di test per sostituire completamente il test di Draize. D altra parte la completa sostituzione dei test per irritazione oculare, genotossicità e tossicità acuta non è stata ancora raggiunta, sebbene il divieto di testing e marketing nella normativa cosmetica sia già entrato in vigore dal 2009. Per gli endpoint per i quali i metodi in vivo sono stati vietati nel 2013 la situazione non è migliore. Ad esempio, la tossicocinetica è stata identificata come elemento cruciale per il futuro, visto che rappresenta il primo passo per trasferire i dati osservati in vitro nella realtà umana. I modelli tossicocinetici, come ad esempio i modelli basati sulle proprietà fisiologiche (Physiologically-Based Toxicokinetics: PBTK), sono da considerarsi le migliori soluzioni per simulare il destino delle sostanze nell organismo umano e mettere in relazione l esposizione con la concentrazione delle sostanze nei tessuti e nei fluidi umani (biomonitoring data). D altra parte per l impiego di questi modelli, che sostituiranno completamente i test tossicologici attualmente in uso, si richiede probabilmente ancora qualche anno (> 2017). La tossicità riproduttiva è probabilmente uno degli endpoint più difficili da studiare in vitro, visto i tanti meccanismi coinvolti nella fertilità femminile e maschile, nella loro interazione e nel processo di sviluppo prenatale umano. Seppur esistano sistemi in vitro validati, che studiano specifici aspetti coinvolti nel sistema riproduttivo, come ad esempio effetti di tossicità embrionale o distruzione del sistema endocrino, si stima che siano necessarie strategie di test integrati e ancora una decina di anni per la sostituzione dei metodi in vivo attualmente in uso. Molto complesso è anche il meccanismo alla base della sensibilizzazione cutanea. Per questo motivo si prevede che la completa sostituzione dei test in vivo per questo endpoint sarà rappresentata non da un singolo test, ma da una batteria di test diversi. Anche in questo caso la sostituzione dei test in vivo avverrà molto probabilmente dopo il 2017. Negli ultimi anni molto è stato fatto per ottimizzare e validare modelli in vitro e in silico. D altra parte, in alcuni casi non è chiaro come le informazioni ottenute con metodi alternativi si possano combinare tra loro in modo tale da ottenere la confidenza richiesta per basare la valutazione del pericolo esclusivamente su dati ottenuti senza l impiego di animali. Come già annunciato nella prima parte di questo lavoro, lo sviluppo di metodi alternativi è sostenuto dai recenti avanzamenti della ricerca cellulare, incluso l uso delle cellule staminali che, ad esempio, da pluripotenti possono essere indotte a formare tessuto intestinale utile per studiare in vitro gli effetti di farmaci e tossine (9) e lo sviluppo di (co)-colture cellulari bi- o tri-dimensionali che tendono a mimare la complessità dei tessuti nel corpo umano. Inoltre, negli ultimi anni, molti ricercatori hanno focalizzato la loro attenzione sullo sviluppo dei cosiddetti Organs-onchips, dove colture cellulari sono state integrate in sistemi microfluidi per mimare il microambiente che cellule e tessuti mostrano in vivo (10,11). Questo non per creare organi da trapiantare, ma per fornire le funzioni degli organi in grado di testare gli effetti terapeutici e tossici delle sostanze (per esempio, studiare la tossicità dopo parecchi giorni di esposizione ripetuta) in sistemi adatti ad applicazioni ad elevato throughput (per esempio studiare la diversa risposta dei pazienti esposti allo stesso trattamento farmacologico) e che si possono integrare tra loro creando body-on-a-chip (per esempio per predire certi aspetti di assorbimento, distribuzione, metabolismo ed escrezione di molte sostanze candidate a divenire farmaci) (12). Un microsistema biomimetico che ricostruisce l interfaccia tra alveoli e capillari del polmone umano è stato sviluppato e fatto meccanicamente respirare (13). Uno studio nanotossicologico condotto su questo sistema ha suggerito che più nanoparticelle attraversano la membrana degli alveoli per passare nel sistema circolatorio quando il sistema è attivo piuttosto che quando è a riposo, indicando che studi tossicologici condotti su cellule immobili sottostimano gli effetti infiammatori delle particelle sospese nell aria. Fino ad ora il maggior limite di questi sistemi integrati è che si fanno crescere linee cellulari più adatte a vivere in coltura rispetto a tipi cellulari organo-specifici. Inoltre è ancora una sfida aperta integrare più organi su chip in una maniera fisiologicamente rilevante da imitare la complessa fisiologia umana e sviluppare modelli farmacocinetici e farmacodinamici capaci di estrapolare comportamenti clinici rilevanti da dati ottenuti in vitro. Quando sarà possibile coltivare cellule specializzate o farle differenziare in cellule specializzate direttamente su chip, e mantenere in vita e funzionali organi umani su organi-chip attivamente ed automaticamente collegati tra loro, le informazioni da essi generate saranno più predittive e potranno essere adottate dalle autorità regolatorie. Conclusioni Ancora oggi, per la gran parte degli endpoint tossicologici, non esistono metodi che permettono di verificare pienamente l efficacia e la sicurezza di una sostanza chimica o di un farmaco senza utilizzare test su un organismo vivente. Tuttavia, di fronte alla nuova sensibilità ed attenzione per problemi etici e scientifici relativi alla sperimentazione animale, senza trascurare l importanza dei modelli tradizionali, si ricercano nuove prospettive meno invasive e più attente a trovare un giusto equilibrio tra esigenze della conoscenza scientifica ed il rispetto della vita animale (14). I passi avanti compiuti nella ricerca hanno accompagnato la nascita e lo sviluppo di nuove strategie sperimentali capaci di dare risposte alle molteplici domande aperte dalla biologia e dalla medicina. Ad esempio, le tecnologie basate sull omica, misurando l impatto di una sostanza sull espressione genica o proteica o sul metabolismo cellulare, possono essere utili per identificare i meccanismi d azione attivati da prodotti chimici nell organismo e misurare i marcatori precoci di tossicità (15). Una volta che questi meccanismi sono conosciuti potrebbe essere appropriato sviluppare metodi alternativi specifici per ciascuno di essi da applicare su modelli cellulari in vitro. I dati così ottenuti permetteranno un impiego più razionale e mirato dei test sugli animali. In ultima analisi, la combinazione di dif- 2013-16(3) 24 www.ceceditore.com
ferenti metodi potrà sostenere lo sviluppo di strategie integrate che sostituiranno i test in vivo anche per lo studio della tossicità sistemica (8). Sono pronte, per contro, le agenzie regolatorie ad accettare questi nuovi approcci tecnologici? A nostro parere per la registrazione di farmaci e dispositivi medici le agenzie regolatorie sono ancora restie alla accettazione di metodi alternativi in sostituzione dei test classici tossicologici. Solo per alcuni test quali la tossicità oculare, la tossicità e l irritazione cutanea, la tossicità acuta e la genotossicità sono stati introdotti metodi alternativi. Per i prodotti sotto la giurisdizione di REACH, l introduzione di metodi alternativi ha avuto una maggiore penetrazione; non dimentichiamo che in questo caso si tratta di composti per i quali si avevano ben poche notizie sulla loro azione tossicologica ed ecotossicologica e quindi ogni dato tossicologico ottenuto era certamente accolto con favore. I prodotti cosmetici sono quelli in cui i metodi alternativi trovano il loro più vasto impiego anche se per certi test sarà difficile eliminare completamente l uso degli animali (cancerogenesi, tossicità cronica). Va comunque ricordato che esistono numerosi gruppi di ricercatori universitari e dell industria che stanno studiando ed approfondendo nuovi metodi alternativi per cui è auspicabile che nei prossimi anni si potrà arrivare ad una tossicologia che, oltre ad alcuni test classici poco rimpiazzabili, potrà utilizzare nuovi metodi alternativi con una notevole riduzione dell uso degli animali e forse degli attuali costi molto elevati (16-18). Bibliografia 1 Russell WMS, Burch RL (1992) The principle of Humane Experimental Technique Methuen & Co, Special edition published by UFAW, London 2 Sparrow SS, Robinson S, Bolam S, Bruce C, Danks A et al (2011) Opportunities to minimize animal use in pharmaceutical regulatory general toxicology: A cross-company review Regul Toxicol Pharmacol 61 222-229 3 Rovida C, Hartung T Re-evaluation of animal numbers and cost for in vivo tests to accomplish REACH legislation requirements for chemicals - a report by the transatlantic think tank for toxicology ALTEX 26 187-208 4 Puzyn T, Leszczynski J, Cronin MT (2010) Recent advances in QSAR studies. Methods and Applications Springer Com./ebook USA 5 Balls M, Blaauboer BJ, Fentem JH, Bruner L, Combes RD et al (1995) Practical aspects of the validation of toxicity test procedures. The report and recommendations of ECVAM workshop 5 ATLA 23 129-147 6 Manou I, Eskes C, de Silva O, Renner G, Zuang V (2005) Safety data requirements for the purposes of the Cosmetics Directive Altern Lab Anim 33 21-26 7 Schroeder K, Bremm KD, Alepee N, Bessems JGM, Blaauboer B et al (2011) Report from the EPAA workshop: in vitro ADME in safety testing used by EPAA industry sectors Toxicology in Vitro 25 589-604 8 Adler S, Basketter D, Creton S, Pelkonen O, van Benthem J et al (2010) Alternative (non animal) methods for cosmetics testing: current status and future prospects Arch Toxicol 85 367-485 9 Spence JR, Mayhev CN, Rankin SA, Kuhar MF, Vallance JE et al (2011) Different differentiation of human pluripotent stem cells into intestinal tissue in vitro Nature 470 105-109 10 Huh D, Hamilton GA, Ingber DE (2011) From 3D cell culture to organ-on-chips Trends in Cell Biol 21 745-754 11 Ghaemmaghami AM, Hancock MJ, Harrington H, Kaji H et al (2012) Biomimetic tissues on a chip for drug discovery Drug Discov Today 17 173-181 12 Huh D, Torisava Y, Hamilton GA, Kim HJ, Ingberg DE (2012) Microengineered physiological biomimicry: Organ-on-Chips Lab Chip 12 2156-2164 13 Huh D, Matthews BD, Mammoto A, Montoya-Zavala M, Hsin HY et al (2010) Reconstituting organ-level lung function on a chip Science 328 1662-1668 14 Battaglia L Metodologie alternative, comitati etici e obiezione di coscienza alla sperimentazione animale Com Naz Bioetica, Laterza, Roma-Bari 15 Marshall E (1993) Toxicology goes molecular Science 259 1394-1398 16 Lorenzetti S, Altieri I, Arabi S et al (2011) Innovative non-animal testing strategies for reproductive toxicology: contribution of Italian partners within the EU project ReProTect Ann Ist Sup Sanità 47 429-444 17 Zuang V, Barroso J, Bremer S et al (2010) ECVAM Technical report on status of alternative methods for cosmetics testing (2008-2009) JRC Scient Techn Report EUR 24413 EN JRC, Ispra 18 van Vliet E (2011) Current standing and future prospects for the technologies proposed to transform toxicity testing in the 21st century ALTEX 28 17A-44A www.ceceditore.com 25 2013-16(3)